在这里，探索极端条件下的物质世界

来源：光明网-《光明日报》

光明日报记者 邹晓菁

在北京怀柔科学城，有一个“走极端”的科研世界。这里的温度接近绝对零度，磁场强度高达26特斯拉，300吉帕斯卡的超高压已接近地心压力，光场时间尺度精确到阿秒级别……科研人员在这样的极端条件下，探索着物质世界的奥秘。日前，综合极端条件实验装置（以下简称“装置”）在怀柔科学城通过国家验收。这标志着国际先进的，同时具备极低温、超高压、强磁场和超快光场等极端条件综合实验能力的用户装置在我国建成。

打造“走极端”的科研环境

“您现在站的位置，磁场强度大约是地球磁场的10倍。不过别担心，只要您没有佩戴心脏起搏器，这种强度的磁场对您不会有任何影响。”中国科学院物理研究所研究员周睿每次向来访者介绍装置的强磁场核磁共振实验站时，语气都很轻松，但总让来访者“心头一颤”。不过这座装置的真正实力，远不止于此。地下1.8米的深处才更是它的“魔力”所在：那里有着比宇宙背景温度还要低几千倍的极低温环境，以及比地球磁场强数十万倍的超强磁场。

“装置的核心目标，是通过极端的实验条件，调控和研究物质的量子态。”中国科学院物理研究所怀柔研究部主任、综合极端条件实验装置首席科学家吕力介绍。

综合极端条件实验装置（吉林大学部分）实验大厅。新华社发

为什么要追求这样的极端条件？“从科学发展的历史来看，每一次工业革命都伴随着对物质状态的深入理解和调控。第一次工业革命是对气体和液体的调控，第二次是对电磁场的调控，第三次则是对微观电子态的调控。而现在，我们正进入量子态调控的时代。”吕力说。

为了实现对量子态的精确调控，装置目前具备四个极端的实验条件：极低温、强磁场、超高压和超快光场。其中，极低温环境可以降至0.05开尔文，比室温低十万倍以上，接近绝对零度；强磁场则达到了26特斯拉，是地球磁场的50万倍；高压环境可以模拟地心压力，达300吉帕；而超快光场的时间分辨率达到了阿秒级别（1阿秒=10-18秒），能够捕捉电子运动的瞬间。

“极端条件让我们能够研究一些平时无法接触到的物质状态。”吕力举例，“比如在极低温下，某些材料会表现出超导特性;在强磁场中，电子的行为会发生奇特的变化。这些现象在常规条件下是无法观测到的。”

在装置的极低温实验站，一间“小黑屋”显得格外神秘。这里有着低于1毫开尔文的极低温环境，任何微小的干扰——哪怕是门口有人走过带来的震动，或是极微弱的光线——都会导致系统升温。中国科学院物理研究所副研究员李沛岭一直负责极低温实验站的建设，他把这里比作一个“巨大的冰箱”，外层是室温，但通过一层层的隔热设计，最核心的区域能够保持比室温低十万倍的极低温。

“为什么需要这么低的温度？”记者道出心中的疑惑。

“在逼近绝对零度的极限温度下，物质呈现全新状态，微弱的量子效应将显现，一些材料还会出现超导现象。但量子态非常脆弱，只有在极低温环境下才能稳定存在。”李沛岭解释道，“比如量子计算，它依赖于量子比特的稳定状态，而热量会产生噪声，破坏量子态。所以我们必须把温度降到极低，才能让量子计算机正常工作。”目前，科研团队在装置内自主研制了顶部插杆式氦三制冷机、稀释制冷机等多款“冰箱”，可以提供1开尔文至1毫开尔文的极低温环境。在这些技术的支撑下，他们搭建起量子计算机——最高数量达136量子比特的夸父（Quafu）量子计算云平台。

在另一栋建筑里，装置的超快光场实验站也令人惊叹。阿秒激光系统以72阿秒的时间分辨率，捕捉原子尺度下的晶格运动和电子行为。“这就像是用一台超高速相机，不过一眨眼的工夫，阿秒激光系统就已按动上百万亿次‘快门’，拍下电子运动的每一帧画面。”中国科学院物理研究所副研究员董朔说，“通过这些数据，我们可以更好地理解材料的物理性质，甚至设计出更高效的光伏材料。”

目前，综合极端条件实验装置的极端条件物性表征系统、极端条件量子态调控系统、超快动力学表征系统等位于怀柔科学城，高温高压大体积材料研究系统位于吉林长春。这些极端条件可以拓展物质科学的研究空间，彼此还能“强强联合”，实现综合化、集群化，促进新物态、新现象、新规律的发现。

大胆想象 追求极致

强磁场核磁共振实验站位于地下，实验室的建设从挖坑开始。而这看似简单的第一步，却让科研人员费尽了心思。为了保证实验装置的高精度运行，任何微小的金属杂质都不能留在坑内。然而，施工方在建设过程中难免会遗落一些螺丝、脚手架零件等铁质材料。这些看似不起眼的小东西，却可能对未来的实验造成巨大影响。

“当时我们特别谨慎，因为一旦回填土埋上，再发现问题就晚了。”周睿回忆道。为了确保万无一失，科研团队决定亲自上阵，用最“土”但最有效的方法——拿着大磁铁和金属探测器，检查每一寸土地。

科研人员在综合极端条件实验装置（怀柔）超快光场物性研究系统实验站调整光路。新华社发

“我们买了很多磁铁，每个人拿着一块，像探宝一样在土里扫来扫去。”周睿笑着说。每当磁铁吸住什么东西，大家就会立刻停下来，仔细检查是不是铁质材料。即使是一颗小小的螺丝钉，也要被清理出来。

“现在回想起来，当时大家这种极致追求是非常必要的。”周睿感慨道。正是这种对细节的极致追求，为后续实验装置的稳定运行打下了坚实基础。

在实验室的建设过程中，科研人员还遇到一个棘手的问题：强磁场设备的液氦消耗量远超预期。“强磁场设备需要持续通电，而电流通过导线时会产生大量热量，导致液氦快速蒸发。”周睿介绍，最初，设备每天消耗的液氦量高达几百升，这不仅增加了运行成本，还影响了实验的稳定性。

“我们一开始对这个问题估计不足，液氦消耗得太快了。”周睿回忆道，为了解决这个问题，团队开始了大胆的尝试。他们首先改进了导线的材料，使用超导材料包裹导线，成功将液氦消耗量降低了一半。

但这还不够。当时团队中有科研人员进一步提出：将导线尽可能靠近磁场中心，以减少电流的传输路径。“这个想法听起来简单，但实际操作风险很大，因为磁场中心的环境非常复杂，稍有不慎就可能导致设备损坏。”周睿解释说。

中国科学院物理研究所怀柔研究部主任、综合极端条件实验装置首席科学家吕力在极端条件量子态调控系统进行科研工作。新华社发

经过多次计算和实验，团队最终成功将导线安装到了靠近磁场中心的位置。这一大胆的创新，使液氦消耗量再次大幅降低，设备的运行效率也得到显著提升。

“这些都是一步步尝试出来的，刚开始我们也不敢轻易动手。但我们相信，只有大胆想象、追求极致，才能在科学探索的道路上走得更远。”如周睿所说，这正是“追求极端”的科研人员的风格。

利用极端条件做出更多突破

“未来我们绝不仅仅是被动地服务用户，而是要主动利用这些极端条件，做出原创性的突破。”李沛岭充满期待地说。装置目前已经具备了四个极端指标，但在李沛岭看来，它的潜力远不止于此。它的隐藏优势，比如极低的噪声、超低的电子温度，以及多温度下的高低频测量手段，正在逐渐被发掘。“许多用户在其他地方无法观测到的现象，在这里却能清晰捕捉，这正是装置独特优势的体现。”李沛岭说。

“我们不仅要追求更极端的条件，还要在相同条件下，做更多事情。”李沛岭解释说。未来的目标不仅仅是把温度降到更低，或者把磁场做到更强，还要在这些极端条件下，开发更多实验手段，让科研人员能够更便捷地测量、更深入地探索。

位于北京怀柔的中国科学院物理研究所“综合极端条件实验装置”。新华社发

智能化也是装置未来发展的重要方向。随着人工智能技术的飞速发展，科研团队正在思考如何将AI与实验过程深度融合。“我们有海量的实验数据，目前科研人员也能从数据中发现规律，但人工智能可以帮助我们挖掘更多被忽略的细节。”李沛岭举例道：“就像最近很火的DeepSeek，如果借助类似的AI技术，我们可以从整体上分析数据，发现我们可能没有注意到但非常有价值的一些实验数据。”

未来，装置将不仅仅是一个硬件平台，更是一个智能化的科研生态系统。“通过构建自动化设备和智能数据分析系统，团队可以更高效地处理实验数据，甚至发现全新的物理规律。”李沛岭期冀道，“我们希望通过智能化，让装置不仅是一个工具，更是一个‘科研伙伴’。”

在人才培养方面，装置所在的怀柔科学城也有着独特的优势。这里不仅有先进的实验条件，还有浓厚的科研氛围。定期的国际会议、论坛和讲座，为科研人员提供了与国内外同行交流的机会。“用户带着他们的想法来，我们提供独特的实验条件，这种碰撞常常能激发出新的灵感。”李沛岭说。

“在这里，每一次实验都是对自然规律的深刻探索，每一次突破都是对科学极限的重新定义。我们希望通过这样的氛围，培养出更多敢于想象、勇于创新的科研人才，不断突破前沿科技。”谈及未来，吕力充满期待。

《光明日报》（2025年04月03日 16版）